整合素与肾脏疾病

史文潮 综述 秦卫松 审校

·基础医学·

整合素与肾脏疾病

史文潮 综述 秦卫松 审校

整合素家族是一类普遍存在于低等真核生物到高等哺乳动物细胞表面的异二聚体跨膜蛋白，可介导细胞与细胞间、细胞与细胞外基质的连接。整合素与其配体的相互作用在调节细胞运动、分化与存活等方面发挥重要作用，同时它们在肾脏发育、肾脏疾病的发生、发展中扮演重要角色。整合素的表达和功能异常与肾病综合征、急性肾损伤、局灶节段性肾小球硬化、糖尿病肾病和多囊肾病等肾脏疾病密切相关。

整合素肾病综合征急性肾损伤糖尿病肾病多囊肾病

整合素的分子结构与生物学功能

整合素家族普遍存在于脊椎动物细胞表面，是由α和β两个亚基组成的跨膜蛋白。到目前为止，在人类细胞中至少已鉴定出18种α亚基和8种β亚基。整合素α链的细胞外部分决定整合素结合的特异性，细胞内结构域决定该整合素的特殊生物学效应。整合素的β链负责与下游的信号转导分子(如P59ILK或者其他的蛋白激酶)相互作用［1］。

通常依据β肽链的差异将整合素分为β1、β2、β3组等。整合素的分布有一定的组织特异性，例如肾组织以β1组为主，β2组主要表达于白细胞。也可根据整合素结合的细胞外基质(ECM)的不同将其分为:层黏蛋白结合整合素(包括α3β1，α6β1，α6β4，α1β1， α2β1，)、胶原结合整合素(包括α1β1，α2β1，α3β1，α10β1，α11β1)、识别RGD短肽的整合素(包括α5β1，αVβ1，αVβ3，αVβ5，αVβ6，αVβ8，αIIbβ3)。

当整合素结合ECM或其他刺激因子时，可通过由外向内的信号传递作用引起细胞骨架的重排，实现细胞的迁移、黏附、功能性激活等。通常由外向内传递信号的最初事件是Src和syk家族酪氨酸蛋白激酶的激活。Src家族激酶(SFK)进而磷酸化含ITAM的连接蛋白的酪氨酸残基，磷酸化的ITAM募集ZAP-70，Syk等。最终使下游的SLP76、Vav、PLCγ、ADAP(黏附及脱颗粒促进蛋白)及其同源的PRAM-1活化。Vav激活Rho GTPase直接或通过Wiskott-Aldrich综合症蛋白(WASp)间接促进细胞骨架重排，PLCγ通过IP3/DAG-PKC/Ca2+途径启动特异基因转录因子的激活，调节细胞的增殖分化。另外，Src还能磷酸化局部黏附激酶FAK及其同源蛋白Pyk2的酪氨酸残基，而FAK/Pyk2-Cbl-PI3K途径在Mφ板状伪足的形成、趋化及迁移过程中起重要作用［2］。在Jurkat T细胞上的整合素LFA-1的激活可引起细胞黏附蛋白1(ARF-GTPase的鸟苷酸交换因子，主要表达于造血细胞)的苏氨酸磷酸化，进而激活ERK通路，促进T细胞激活后的白细胞介素2(IL-2)产生。LFA-1的激活还可促使Jun激活结合蛋白(JAB-1)从其尾部释放并转入核内形成c-jun复合物，激活AP-1的转录(图1A)。

从细胞内向细胞外传递信号的一个经典的例子是免疫细胞(如白细胞，淋巴细胞)及血小板表面整合素本身的激活。非激活的整合素胞外段弯曲折叠，与配体的亲和力低，而它的α、β链胞内段近膜区通过氨基酸残基之间的盐桥连接。淋巴细胞表面模式受体(TCR，BCR)通过PKC/PKD途径及ADAP/Skap55途径、白细胞表面选择素与趋化因子结合或血小板表面Ⅵ型糖蛋白与暴露的胶原连接通过PLC-γ-Ca2+/DAG途径激活鸟嘌呤交换因子GEF，实现Rap1-RIAM(Rap1-GTP相互作用衔接分子)的GDP/GTP转换。Rap1-RIAM激活后募集效应分子RapL及Ser/Thr蛋白激酶Mst1至整合素α链GFFKR基序的2个Lys残基上。然后含有FREM结构域的踝蛋白或kindlin转位并结合到整合素β链胞质区的NPXY基序上导致整合素构象改变而激活，而后作为肌丝结合蛋白的辅肌动蛋白(α-actinin)结合至β链的胞质近膜端维持其激活的构象，最终使得整合素在细胞膜表面聚集并明显增加整合素作为ECM受体的亲和力［3］。此外还有一些含FREM域的蛋白如Radixin，MyosinX等可调节(协同或抑制)整合素的激活过程(图1B)。

图1 整合素信号转导通路［3］

肾脏中整合素的生理功能

整合素在肾脏的分布α3β1是足细胞表达的主要整合素，沿着肾小球基膜(GBM)分布，与ECM作用。αVβ3、α6β1在足细胞上也有少量的表达。系膜细胞表达的整合素以α1β1为主，血管内皮细胞表达α3β1、 α6β1和αVβ3。近端小管主要表达α6β1，尚未检出α2β1或α3β1的表达。远端小管主要表达α2β1、α3β1和α6β1，而集合管以α2β1、α3β1、α6β1和α6β4为主。

整合素在肾脏生理功能中的作用

胶原结合整合素肾组织中胶原结合整合素以α1β1与α2β1为主。最近对α1β1的研究发现其与肾脏纤维化密切相关。在阿霉素诱导的肾损伤模型中，整合素α1缺乏的小鼠比野生型小鼠更易发生严重的肾脏纤维化。整合素α1缺乏的系膜细胞，因不能抑制表皮生长因子受体(EGFR)介导的Rac激活，产生更多的活性氧产物，从而抑制细胞增殖并促进肾小球Ⅳ型胶原的沉积［4］。另外有研究证实α1β1可结合Ⅳ型胶原，活化整合素介导的细胞内信号转导，调节Ⅳ型胶原的产生［5］。α2β1也可作为胶原受体，调节多种细胞功能，如ECM的代谢。但与α1β1相反，它可以促进胶原的合成和活性氧产物［6］。α2β1促进系膜区胶原的形成可能与其能激活系膜细胞内的STAT3有关。另外，系膜细胞上的α2β1可作为IgA1的受体［7］，促进ERK介导的胶原合成。α2基因敲除小鼠或者选择性拮抗α2β1都能减轻阿霉素诱导的蛋白尿、肾小球胶原沉积硬化和肾损伤［6］。

表1 整合素在成熟肾组织的分布

层黏蛋白结合整合素层黏蛋白结合整合素主要包括α3β1、α6β1和α6β4。α3β1是维持足细胞稳定的重要整合素，在肾小球形成过程中也发挥重要作用。缺乏α3或者β1都将导致肾脏发育过程中表型的改变，如足突消失和严重的蛋白尿等。α3β1的作用不仅是将足细胞锚定于基膜上，还在足细胞通过细胞骨架的重排形成足突的过程中发挥重要作用［8］。这种整合素介导的细胞骨架重排形成足突的过程与激活下游的Rho家族的GTPase有关［9］。尽管在肾脏发育的不同阶段，整合素α6与其配体层黏蛋白α1β1γ1，α5β1γ1，α5β2γ1共表达，但选择性敲除整合素α6后，不会影响肾脏发育过程中的表型转变［10］。

识别RGD序列的整合素这类整合素中以α8及αv最为重要。α8整合素是骨桥蛋白、纤连蛋白和玻连蛋白的受体，在成熟肾小球系膜细胞上表达。α8基因敲除小鼠会因不能抵抗高血压等机械性损伤而出现肾小球系膜细胞增殖，毛细血管袢改变。表达于系膜细胞的α8与系膜基质相互作用，通过调控系膜细胞的增殖和凋亡修复肾小球的损伤［11］。在链脲菌素诱导的糖尿病小鼠模型中，α8基因敲除小鼠出现比野生型小鼠更严重的尿蛋白、肾小球纤维化、足细胞标记的消失及nephrin的下调，可见α8对维持肾小球的结构和功能具有重要作用［12］。αv整合素可分为两类，与纤连蛋白或玻连蛋白结合的αvβ1、αvβ3、αvβ5，以及能结合转化生长因子β(TGF-β)晚期相关肽上RGB模体的αvβ6，αvβ8。尽管尚未在任何类型的肾脏细胞中建立αv选择性敲除的细胞株，但有证据表明αvβ3在调节肾小球滤过屏障中起重要作用［13］。在脂多糖介导的小鼠肾脏病模型中，尿激酶型纤溶酶原受体可激活αvβ3，促进足细胞损伤［14］。

整合素与肾脏疾病

整合素与肾病综合征(NS)NS以大量蛋白尿、低蛋白血症、水肿和高脂血症为特征，分为多个病理类型，均以肾小球滤过屏障受损、大量蛋白尿为共同特点。Nicolaou等［15］发现NS患者足细胞足突融合、裂孔膜破坏的发生与足细胞α3整合素的获得性糖基化有关，糖基化的整合素与GBM的结合力减弱，使足细胞易于从GBM剥离。增加GBM中层黏蛋白β1的表达能部分延缓NS的发生，减轻临床症状，但不能完全代偿β2的缺失，这可能与层黏蛋白β2与足细胞上的α3β1亲和力比β1更高有关［16］。

局灶节段性肾小球硬化(FSGS)作为NS的一个特殊类型，表现为局灶、节段性肾小球硬化，系膜基质增多，毛细血管闭塞，相应的肾小管萎缩，间质纤维化，电镜下可见肾小球上皮细胞足突广泛融合，足突与GBM分离及裸露的GBM节段。研究证实FSGS患者足细胞从基膜剥离及出现大量蛋白尿可能与丢失α3β1相关，首发FSGS患者在出现形态学改变之前就会有足细胞数量明显下降，免疫染色显示足细胞α3β1表达明显下调。整合素α3β1表达的下降与足细胞损失的数量、肾小球纤维化的程度及每日丢失的蛋白量密切相关［17］。临床观察发现，FSGS常于肾移植后复发，进而猜测并证明了循环因子可能参与FSGS的发病过程。suPAR结合并激活位于足细胞上的β3整合素，进而导致足细胞足突融合，肾小球滤过屏障受损［18］。而足细胞骨架重排及β3整合素介导的足突融合剥离与肿瘤坏死因子α(TNF-α)信号通路有关。Bitzan等［19］在体外试验中用TNFR的抗体阻断TNF-α信号通路，可逆转FSGS复发患者血浆中的suPAR对β3整合素的激活而导致的细胞骨架重排及足突融合剥离。用etanercept拮抗TNF可使复发型FSGS患者获得稳定的部分缓解。

整合素与急性肾损伤(AKI)AKI是由各种原因引起的肾功能在短时间内突然下降，出现氮质代谢产物滞留和尿量减少，其发病原因错综复杂并相互影响，其中小管因素、血管因素和炎症因素最为受人关注。整合素的定位改变使肾小管上皮细胞剥离掉入肾小管腔并聚集成团导致肾小管阻塞。整合素定位的改变包括多种方式，在氧化应激后肾小管顶端膜表达α3β1整合素［20］，可结合肾小管腔内由于肾小管上皮细胞脱落后暴露出的基膜成分包括纤维连接蛋白、层黏蛋白、Ⅳ型胶原、Tamm-Horsfall蛋白等，随原尿的冲刷伴随着小管上皮细胞的脱落进入小管。

在缺血再灌注引起的AKI的小鼠模型中，β1整合素的定位发生变化，从基膜转向基底侧膜导致了小管细胞的脱落［21］并使肾小管上皮细胞不能迁移到已有上皮脱落的基膜处，从而使得肾损伤无法得到修复。缺血再灌注也可促进受损内皮表达细胞间黏附分子1及P选择素等，通过与白细胞表面的整合素结合使其黏附聚集进一步加重肾损伤。此外，在盲肠结扎穿孔造成脓毒症的小鼠模型中，也证实了整合素LFA-1、Mac-1在介导中性粒细胞聚集浸润肾脏并引起肾功能衰竭中起重要作用［22］。

含有RGD序列的短肽如骨桥蛋白(可作为α8β1、αvβ3的配体)，可减轻AKI的程度，如防止肾小管阻塞，减轻肾小管扩张，改善肌酐清除率［23］。可能与其抑制肾小管细胞内可诱导的一氧化氮合酶的表达［24］有关。

整合素与糖尿病肾病(DN)DN是糖尿病患者最重要的并发症之一，整合素在DN的发病机制中发挥重要作用。高糖可抑制培养的足细胞表达α3，整合素α3在DN患者肾组织及链脲菌素诱导的DN小鼠模型中均下降，从而导致足细胞不能黏附于GBM［25］。但当培养的足细胞用高糖或者血管紧张素Ⅱ刺激时，整合素β1的mRNA及蛋白水平均增加［26］，与之相连的整合素连接的蛋白激酶的水平和活性也同步增加，而β1整合素连接的蛋白激酶途径广泛参与细胞的黏附、迁移和表型转变［27］。因此整合素β1连接的蛋白激酶信号通路的激活在DN的发病过程中起重要作用。其次，也有研究表明TGF-β1在DN局部细胞因子紊乱中起核心作用，用特异性抗TGF-β1抗体进行干预后能明显抑制糖尿病大鼠肾脏肥大和ECM的产生［28］。而Dessapt等［29］发现TGF-β1与α3、β1整合素mRNA的表达也存在显著的负相关;该研究提示血管紧张素Ⅱ受体拮抗剂(ARB)类药物降低DN尿蛋白的作用可能与其降低TGF-β1mRNA的表达，提高足细胞α3、β1整合素的分布密度有关。但TGF-β1影响α3、β1整合素表达的具体机制尚不清楚。另外，糖尿病患者高糖血症常随着低分子量羰基化合物(包括甲基乙二醛，乙二醛，乙醇醛)的增高［30］，可修饰Ⅳ型胶原α3链NC1段及邻近的RGD序列中的精氨酸残基。Pedchenko等［30］发现这种修饰过的胶原已失去与组织细胞上的整合素(如αvβ3)结合的能力。

整合素与多囊肾病多囊肾病分为常染色体显性遗传(ADPKD)及常染色体隐性遗传(ARPKD)两型，其中前者较多见。ADPKD主要发生于成年人，表现为肾小管细胞增殖异常，细胞极性消失，大量ECM分泌。有研究表明囊壁的上皮细胞通过α6β4与LN5结合，并在α3β1的协助下完成细胞在囊壁的黏附和迁移，因此它们与囊壁的形成密切相关［31］。另外囊腔上皮细胞自分泌的基质蛋白periostin可与αvβ3/ αvβ5结合，通过ILK-GSK3β-βcatenin及ILK-AKT-p27Kip1途径引起囊壁上皮细胞增殖。还可通过激活TGF-β进一步促进ECM蛋白的分泌参与肾脏间质的纤维化［32］。ARPKD常发生于围产期及婴幼儿时期，累及肾脏的集合管系统和肝脏的胆管系统。突变的PKHD1基因编码的brocystin-1与PC-1、PC-2一样都参与黏着斑蛋白复合体的形成。当ECM与β1整合素结合时，促进整合素异二聚体受体的聚集形成黏着斑，而整合素胞内区可募集细胞内的结构蛋白及下游的信号蛋白，调节着细胞的增殖、分化和迁移。ARPKD患者整合素β1-FAK/Src-paxilllin途径各环节的改变使肾小管上皮细胞黏附增强、迁移减弱、细胞的分化成熟受抑制［33］，最终因不能正常地控制肾脏集合管的直径而形成囊腔。

小结:整合素在肾脏的生理病理过程中扮演着重要角色，通过表达数量、表达位置的改变及分子结构的修饰等途径参与肾脏疾病的发生发展过程，研究整合素与肾脏疾病的关系，对于深入认识肾脏疾病，寻找新的治疗靶点具有重要意义。

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Integrins and kidney disease

SHIWenchao，QINGWeisong
National Clinical Research Center of Kidney Diseases，Jinling Hospital，Nanjing University School of Medicine，Nanjing 210016，China

The integrins are a family ofheterodimeric receptors existing ubiquitously on the surface ofmammalian cells aswell as lower eukaryotes including sponges，the nematode Caenorhabditis elegans and the fruitfly Drosophila melanogaster．Theymediate cell to cell interactions，as well as the attachment of cells to the extracellular matrix(ECM)．Integrins play important roles in the regulations of cell death，proliferation，migration and differentiation．They also play important roles in kidney development and pathological processes．Their abnormal expressions and dysfunctions are closely related to nephrotic syndrome，acute kidney injury，focal segmental glomerulosclerosis，diatetic nephropathy and polycystic kidney disease．

mtegrm nephrotic syndrane acute kidney injury diabetic nephropathy pdycystic kidney diease

2014-06-16

(本文编辑 人正)

国家自然科学基金(81270811)

南京军区南京总医院肾脏科国家肾脏疾病临床医学研究中心全军肾脏病研究所(南京，210016)